МОДУЛЬ 1

Свойства и оценка почв

Тема 1.1. Почвоведение как наука. История развития науки. Почвенные процессы

План.

1. История развития науки.
2. Понятие о почве и почвоведении.
3. Функции почв.
4. Принципы и формула почвообразования.
5. Почвенные микропроцессы.
6. Почвенные мезопроцессы.
7. Почвенные макропроцессы (общие, типовые).
8. Формирование почвенного профиля.

1.История развития науки

Теоретическое почвоведение и его история возникли практически одновременно. Основатель почвоведения В.В. Докучаев был и его первым историком.

Основные этапы развития науки:

І. Этап накопления фактов (эмпирический)

Периоды:

1. 7-8 век до н.э. Первые исследовательские попытки у эллинов. Колыбель современного почвоведения – в Греции. Главное качество периода – наблюдательность (выделили почвенные слои);
2. 2-1 век до н.э. В древнем Риме появились первые агроприемы, направленные на восстановление плодородия (“так терпи же, чтобы поле отдыхало под паром покой на досуге вкушая”);
3. Период средневековья. Основная решаемая проблема: чем питаются растения – водой, частицами, воздухом … Решение данного вопроса способствовало исследованию состава почвы, ее происхождения. Появились первые гипотезы о наличии гумуса в почве.

Теории происхождения почвы:

-геологическое или растительное образование
-гумусовая теория
-болотная теория
-гипотеза М.В. Ломоносова (почва – продукт взаимодействия минерального и растительного царства). Работа «О слоях земных».

ІІ. Этап современного почвоведения (эмпирический)– основатель В.В. Докучаев

Периоды:

1.) Докучаевский (1870 – 1900 гг.)

Характерные особенности:

1. почва самостоятельное «естественноисторическое» тело природы;
2. намечена методология исследования почв;
3. открыты законы природной зональности;
4. появилось учение о классификации почв (генетическая), в название почв используются цветовые шкалы;
5. взаимопроникновение с агрономией;
6. новая наука приступила к решению прикладных задач

2.) Период окончательного утверждения и дальнейшего развития Докучаевских идей (1901 – 1916 гг.)

Характерные особенности:

1. начало дифференциации почвоведения;
2. первые оценочные работы;
3. исследование почвенных ресурсов;
4. начало исследований почв в Сибири

Наиболее авторитетные ученые: К.Д. Глинка, П.С. Коссович

3.) Дифференциация почвоведения (1917 – 1947 гг.)

Характерные особенности:

1. углубленное изучение свойств почв и почвенных процессов;
2. появление разделов – физика, химия, биология, минералогия, генезис, география почв;
3. начало «картографии почв»;
4. почвенно-оценочные работы

Наиболее авторитетные ученые: Б.Б. Полынов, В.Р. Вильямс, Л.И. Прасолов, С.П. Кравков, К.К Гедройц, Р.С. Ильин

4.) Дифференциация почвоведения (1948 – 1973 гг.)

Характерные особенности:

1. дальнейшее развитие картографии;
2. развитие классификации и стационарных исследований;
3. развитие сети почвенных учреждений;

5.) (1974 – 1990 гг.)

Характерные особенности:

1. развитие разделов почвоведения;
2. выявление биосферных и экологических функций почв;
3. проблема деградации почв;
4. разработка почвенного мониторинга

6.) Экологизация почвоведения (1991 – по настоящее время)

Характерные особенности:

1. усиленное внимание к теоретическим проблемам природного и антропогенного почвообразования;
2. решение экологических проблем;
3. ослабление экспериментальных и экспедиционных исследований;
4. анализ почвы как системы

Резюме:

Фактами истории почвоведения являются все события интеллектуальной, организационной и практической деятельности почвоведов, а историческими источниками – воспоминания, материалы архивов, все публикации научного, прикладного, хроникального характера, особенно в журнале «Почвоведение».

2. Понятие о почве и почвоведении

Почва

– это сложная полифункциональная открытая 4-х фазная структурная система в поверхностной части коры выветривания горных пород; является комплексной функцией горных пород, организмов, климата, рельефа, времени и антропогенного фактора, обладающая плодородием.

Почва – четырехфазная открытая система. Состоит из 4 фаз (частей):

1. Твердая
2. Жидкая
3. Газообразная
4. Живая

Твердая фаза – характеризуется гранулометрическим, минералогическим и химическим составом, сложением, структурой и пористостью.

В состав твердой фазы почвы входят минералы и химические соединения, унаследованные от исходной горной породы и практически неизменные при последующем выветривании и почвообразовании. Минералы и соли, перешедшие в почву из исходной породы, называют первичными. Твердую фазу формируют также вторичные минералы. Они образуются при выветривании исходной горной породы и почвообразовании .

Органическое вещество почвы в т.ч. гумус также формирует твердую фазу почвы. На долю минеральной части приходится до 90 % от объема твердой фазы.

Жидкая фаза – это вода в почве, циркулирующая в пределах почвенного профиля вместе с растворенными в ней разнообразными минеральными, органическими и органоминеральными соединениями. Она называется почвенным раствором.

Почвенный раствор представляет собой исключительно динамичную фазу почвы, он играет важную роль в жизни живых организмов, а также в процессах миграции веществ в почвенном профиле. Почвенный раствор располагается в почвенных порах.

Газообразная фаза – представляет собой почвенный воздух, который заполняет разнообразные пустоты (поры, трещины), имеющиеся в почве и не занятые водой. Почвенный воздух существенно отличается от атмосферного и динамичен во времени. Основные газы почвенного воздуха – кислород, углекислый газ, которого в почве в несколько раз больше, чем в атмосферном воздухе, азот. Почвенный воздух располагается в порах, которые формируют пористость аэрации.

Живая фаза – представлена живыми организмами, населяющими почву, которые служат важнейшим фактором почвообразования. В состав фазы входят разнообразные микроорганизмы (бактерии, грибы, актиномицеты), почвенные животные, корневые системы зеленых растений.

Все фазы почвы взаимосвязаны, оказывают взаимное влияние друг на друга и существуют как единое целое.

Почвоведение

– наука об образовании (генезисе), строении и свойствах почв, закономерностях их географического распространения, путях рационального использования и повышении почвенного плодородия.

Почвоведение принадлежит к наука о природе, т.е. является естественнонаучной дисциплиной. Оно тесно соприкасается с фундаментальными науками (математика, физика, химия), естественно-историческими (биология, геология, география), прикладными науками (земледелие, растениеводство, мелиорация, агрохимия, землеустройство и т.д.).

Как любая другая наука, почвоведение имеет свои методы исследований, адекватные предмету исследований.

3. Функции почв

І. Биогеоценотические – объединены в несколько групп по основным контролирующим их свойствам почв.

1. Физические функции
жизненное пространство
жилище и убежище
опорная функция
функция сохранения и депо семян
2. Химические и биохимические функции
источник питательных элементов и соединений
депо элементов питания, энергии и влаги
функция стимулятора и ингибитора биохимических и других процессов
3. Физико-химические функции
сорбция тонкодисперсного вещества, поступающего из атмосферы, с боковыми и грунтовыми водными потоками и растительным опадом
сорбция почвенным мелкоземом микроорганизмов, обитающих в почве
функция стимулятора и ингибитора биохимических и других процессов
4. Информационные функции
функция сигнала для сезонных и других биологических процессов
регуляция численности, состава и структуры биогеоценоза
пусковой механизм некоторых сукцессий
«память» биогеоценоза (ландшафта)

Биогеоценоз – это экосистема в границах фитоценоза.

5. Целостные функции
Трансформация вещества и энергии
Санитарная функция
Функция защитного и буферного экрана

В целом все перечисленные функции прямо или косвенно определяют почвенное плодородие.

ІІ Глобальные – входят функции, реализуемые почвенным покровом в его взаимодействии с литосферой, гидросферой, атмосферой и биосферой.

1. Литосферные
защитный слой литосферы
источник вещества для формирования пород и полезных ископаемых
передача аккумулированной солнечной энергии и вещества в недра Земли
2. Гидросферные
Роль в круговороте воды, регулировании водного баланса
3. Атмосферные
Фактор формирования и эволюции газового состава атмосферы
Источник и приемник твердого вещества и микроорганизмов атмосферы
4. Общебиосферные
среда обитания организмов суши
связующее звено биологического и геологического круговорота

ІІІ Экологические функции городских почв

Отличие городских почв от почв природных ландшафтов в том, что их свойства формируются под влиянием антропогенных факторов. С участием почв в антропоэкосистемах города протекают биогеохимические циклы различных химических веществ (природного и техногенного происхождения), в них происходит преобразование культурного насыпного слоя, трансформация поверхностных вод в грунтовые.

Утилитарное (практическое) значение имеет плодородие этих почв, пригодность их для произрастания зеленых насаждений. Почвы служат банком для семян, регулятором газового обмена. Особую значимость в урбанизированных ландшафтах приобретает протекторная функция почвы.

Таким образом, в городах, почва служит:

1. защитным барьером от вертикального проникновения веществ химического и биологического происхождения
2. биогеохимическим преобразователем грунтов, мусора и свалок.

4.Принципы и формула почвообразования

В основе генетического почвоведения, созданного Докучаевым, лежит два фундаментальных принципа:

1. 1) Почва, есть самостоятельное естественно-историческое природное тело, объективно отличающиеся от других природных тел строением, свойствами, законами образования (генезисом) и функционирования.
2. 2) Почва как природное тело является функцией взаимодействия факторов – почвообразователей во времени.

Однако еще Докучаеву и его ученикам было ясно, что связь почвы со средой осуществляется благодаря почвообразовательным процессам, постепенно превращающему исходный геологический субстрат в почву. Так, почти одновременно с учением о почве родилось учение о почвообразовательном процессе как передаточном «механизме» от факторов среды к свойствам почв.

Только в 60-70-е годы двадцатого века произошло окончательное осознание, что процессы – необходимое звено в докучаевской формуле:

Свойства почв « Факторы почвообразования

В качестве фундаментальной формулы почвоведения в 1973-1975 гг. Герасимов И.П. предложил использовать триаду:

Свойства почв « Процессы « Факторы почвообразования

В результате дискуссий в почвоведении (на современном этапе) выделяются следующие виды (категории) почвообразовательных процессов:

1. Микропроцессы
2. Мезопроцессы (элементарные почвообразовательные процессы)
3. Макропроцессы

5. Почвенные микропроцессы

Микропроцессы – это наиболее простые и многочисленные процессы и явления в почвах, идущие на молекулярном, ионном, атомном и подобных уровнях.

Как правило, это различные противоположно направленные явления.

Главная черта – не оставляют в почвах в данный момент заметных морфологически выраженных признаков; обратимы и цикличны.

Микропроцессы подразделяются на 3 группы:

1. Процессы обмена веществом и энергией между почвой и другими природными телами – газами, водой, теплом, энергией.
2. Микропроцессы превращения веществ и энергии, происходящие в самой почве:
образование гумуса и его минерализация,
поступление растительных остатков и разложение их,
выветривание первичных и вторичных минералов,
микробный синтез и распад,
обмен катионами между ППК и раствором.
3. Микропроцессы передвижения веществ и энергии в почве
нагревание и охлаждение,
испарение и конденсация,
замерзание и оттаиванивание,
коагуляция и пептизация

6. Почвенные мезопроцессы

Мезопроцессы, или элементарные почвообразовательные процессы (ЭПП) – занимают промежуточный уровень между микропроцессами и типовыми макропроцессами.

Характерные черты:

1. Эта такая группа процессов, из которых ни один взятый в отдельности не способен сформировать почву. ЭПП – это обязательно только составная часть (элемент) типового почвообразовательного процесса.
2. Это процессы, которые обязательно приводят к изменению твердой фазы почвы или породы. Все ЭПП приводят к тому, что мы можем каким-то образом зафиксировать это изменение.

Выделяют следующие группы ЭПП:

1. Первичный почвообразовательный процесс
2. Метаморфизм органического вещества, гумусообразование in situ
поступление органического вещества (поверхностное – в лесу, внутрипочвенное – в степи)
трансформация органического вещества (биогенная, абиогенная)
гумификация
минерализация (органических остатков, гумуса)
комплексообразование
миграция продуктов гумификации
иммобилизация органо-минеральных веществ
3. Метаморфизм минерального вещества
физическое дробление
гипсообразование
карбонатизация
глинообразование
трансформация глинистых минералов
разрушение глинистых силикатов
4. Переорганизация почвенной массы
Оструктуриванивание (коагуляционное образование комков, биогенное)
5. Оглеение почвенной массы – процесс трансформации на месте минеральной массы почв в условиях постоянного или длительного переувлажнения и анаэробиозиса, приводящий к созданию «холодных» тонов окраски
восстановленный глей
окисленный глей
6. Миграция вещества
солевая (засоление, рассоление)
осолонцевание - рассолонцевание
кальциевая (выщелачивание, огипсовывание, окарбоначиванивание)
кремниевая
алюминий-железо гумусовая
лессиваж
глеевая миграция железа и марганца

Элементарные почвообразовательные процессы это такая группа процессов, из которых ни один взятый в отдельности не способен сформировать почву. ЭПП – это обязательно только составная часть (элемент) типового почвообразовательного процесса. Любая почва формируется тем или иным сочетанием конкретных ЭПП разных групп, но никогда не образуется ЭПП из одной только группы. Именно в этом проявляется «элементарность» этого уровня процессов – любой типовой почвообразовательный процесс составляется из омбинации более чем одного ЭПП.

7. Почвенные макропроцессы (общие, типовые)

Это процессы, которые обязательно имеют своим конечным или промежуточным результатом изменение в твердой фазе почвообразующей породы или почвы. Ни в одном из действующих списков ЭПП нет такого процесса, который не имел бы подобного « твердофазного »результата– признака, маркирующего процесс.

Макропроцессы – формируют почвы определенных генетических групп. В почвоведении они рассматриваются как черноземообразование, подзолообразование, солонцеобразование и т.д. Чернозем, подзол или солонец образуются в результате определенного совместного воздействия нескольких ЭПП. Главенство процессов не абсолютно. В зависимости от типов почв и конкретных условий главное может стать второстепенным, подчиненным.

Основные макропроцессы:

1. Дерновый – обязательное условие постоянный приток влаги извне, корни не тянутся вниз в поисках воды. Формируемые почвы – дерново-подзолистая, серая лесная с поверхностным горизонтом А1.
2. Черноземный – отсутствует внешнее увлажнение, корни растений тянутся вниз в поисках воды. Формируемые почвы – черноземы с поверхностным горизонтом А.
3. Подзолистый – процесс разрушения первичных и вторичных минералов. Формируются подзолистые почвы с горизонтом А2.
4. Болотный – состоит из 2 процессов: торфообразование и оглеение.
5. Солончаковый – процесс накопления легкорастворимых солей в почвенном профиле.
6. Солонцовый – процесс внедрения в почвенный комплекс (ППК) иона натрия (Na+).

8. Формирование почвенного профиля

Процесс формирования полноразвитого профиля длится от сотен до сотен тысяч лет.

Почвенный профиль – это совокупность генетически сопряженных и закономерно сменяющихся горизонтов почвы, на которые расчленяется материнская порода в процессе почвообразования.

Главные факторы образования профиля – процессы разрушения, синтеза и миграции органических, минеральных и органо-минеральных веществ и энергии; вертикальное распределение живого вещества.

Выделяют следующие факторы вертикальной дифференциации почвенного профиля:

1. Вертикальная ярусность корневых систем растений, связанная с биологическими особенностями растительных организмов, строением почвообразующих пород, уровнем и составом грунтовых вод
2. Вертикальное распределение микроорганизмов
3. Вертикальное распределение и миграция почвенных животных
4. Вертикальное перемещение влаги в почве
5. Вертикальный поток тепла
6. Вертикальная диффузия газов из атмосферы во внутренние слои литосферы